[发明专利]一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢的装置和方法

说明书

本发明公开了一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢的装置和方法，通过用散焦电子束预扫描焊件，使焊件热量通过导热垫板传递到焊接夹具；再使用热电偶测量焊接夹具的温度，当显示值达到焊件要求焊接的最低温度值时，可以开始焊接。该发明确保了在焊接过程中超高强度钢待焊接区域的温度处于要求范围内，避免出现裂纹、未焊透等焊接缺陷，简化了预热流程，省去了预热设备，提高了工作效率。

技术领域

本发明涉及航空零件焊接技术领域，特别是一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢的装置和方法。

背景技术

超高强度钢30CrMnSiNi₂A具有强度高、硬度高、承受静载高、弯曲和冲击载荷高的综合优越特性，主要用于制造飞机襟翼滑轨、起落架、发动机架和主力框梁等承受高载荷的结构件。为了保证生产效率、安全起落和正常飞行，使用包括真空电子束焊接技术在内的熔焊技术，连接各个组件。

虽然超高强度钢30CrMnSiNi₂A材料具有极高承载力和其他诸多优点，但是碳当量超过0.7，焊接性非常差，焊缝非常容易出现冷、热裂纹和未焊透等缺陷，引起严重的事故。为了改善超高强度钢的焊接性，防止焊缝开裂，必须在焊前预热，并且温度超过250℃。在HB/Z5132－2014《超高强度钢熔焊工艺及质量控制》的“7.3焊前预热”节中，针对预热温度明确规定，“为了防止产生裂纹，30CrMnSiNi₂A钢零件焊前必须进行预热。在整条焊缝和靠近焊缝两侧宽度不小于100mm的区域内预热温度均匀。未经最终热处理的30CrMnSiNi₂A钢零件，预热温度为250℃～400℃。在整个焊接过程中，应保持焊缝及其附近区域的温度不低于250℃。”由于焊接过程自身可以产生热量，可以确保零件温度满足要求，仅需要解决零件预热温度高于250℃的问题。

使用传统的弧焊技术，尚且可以使用电炉预热、岩棉包裹和人工快速转运的方法，保证零件预热温度在250℃～400℃之间，由于采用多层焊，导致焊缝强度仅有母材的55％左右，接头韧性不高，人工生产效率低。为了提高主承力结构件接头的强度，大量采用真空电子束焊接技术制造主承力结构件，一次焊接完成，接头强度达到90％以上，其他性能也相应提高，生产周期仅有弧焊的30％。然而使用真空电子束焊接时，还需要焊前装夹、抽真空等过程，由于中间时间加长，即使采用高温预热，也无法保证零件预热温度高于250℃。预热温度过高，不可能完成零件的搬运和装夹；预热温度过低，中间环节过多，无法保证零件温度达到最低值。

因此，如何保证真空电子束焊接前零件预热温度始终在250℃～400℃之间，成为高效制造高强度主承力结构件的主要问题。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种用真空电子束焊接超高强度钢的装置和方法，通过用散焦电子束预扫描焊件，再使用热电偶测量焊接夹具的温度，保证零件始终处于要求的温度范围。

一种用真空电子束焊接超高强度钢的装置，包括焊接夹具、导热垫板、热电偶、热电偶支架，焊接夹具上设有与导热垫板配合的凹槽，导热垫板镶嵌在焊接夹具上表面凹槽内，多个热电偶支架固定在焊接夹具两侧，热电偶安装在热电偶支架上。使用不锈钢材料制造焊接夹具，焊件夹具上部中间加工台阶型凹槽，凹槽沿纵向轴中线对称。导热垫板为超高强度钢30CrMnSiNi₂A材料，长度不小于焊件长度。

用该装置进行焊接的方法，包括如下步骤：

步骤1用散焦电子束预扫描焊件，束流强度200mA，焊接速度500mm/min，聚焦电流2.05A。使焊件热量通过导热垫板传递到焊接夹具；

步骤2使用热电偶测量焊接夹具的温度，显示的温度即为焊件温度；当热电偶显示值达到焊件要求焊接的最低温度值时，可以开始焊接，确保所有热电偶均达到最低温度值；

步骤3焊接。